Механоэлектрохимическая обработка упрочненных зубчатых колес

Работоспособность зубчатых передач, их надежность определяются механическими свойствами материала зубьев, способом окончательной, финишной обработки, обеспечивающим достижение необходимой точности геометрической формы зубьев и качества обрабатываемой поверхности.

Наиболее сложной задачей является изготовление зубчатых колес, работающих в условиях высоких нагрузок. Нагрузка, допускаемая контактной прочностью зубьев, зависит главным образом, от твердости их материала.

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колеса разделяют на две основные группы: твердостью < 350 НВ — зубчатые колеса, нормализованные или улучшенныетвердостью > 350 НВ — с объемной закалкой, закалкой токами высокой частоты (ТВЧ), цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.

Твердость материала до 350 НВ позволяет производить чистовую обработку зубьев после термообработки без применения малопроизводительных отделочных операций. При этом возможно получение высокой точности (без применения шлифования, притирки и т. п.). Зубчатые колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость материала колеса рекомендуют назначать больше твердости колеса не менее, чем на 10. 15 единиц.

После термообработки твердость зубьев может составлять 50.60 > HRC, при этом допускаемые контактные напряжения увеличиваются в 2 — 2,5 раза, а нагрузочная способность зубчатой передачи возрастает до 4 раз по сравнению с зубчатыми колесами, не подвергнутыми термообработке.

Применение материалов с повышенной твердостью существенно увеличивает нагрузочную способность зубчатых передач, однако это обуславливает необходимость решения ряда задач: 5.

— формообразование боковых поверхностей зубьев после термообработки затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания зубьев, что сопровождается значительным короблением функциональных поверхностей зубчатого колеса. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифование, притирка, обкатка и т. п.;

— высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной жесткости валов и опор.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхностными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердостью, высокую контактную прочность при сохранении вязкой сердцевины зуба.

Поверхностная закалка ТВЧ или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает твердость 48.54 HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (ш > 5мм). При малых модулях возможно сквозное прокаливание зуба, что приводит к охрупчиванию и сопровождается короблением зубьев. При относительно тонком поверхностном закаливании профиль зуба искажается менее существенно. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки т.в.ч. значительно возрастает с увеличением размеров колес. Наиболее часто поверхностной закалке подвергают зубчатые из стали 40Х, 40ХН, 45 и др.

Наиболее эффективными способами повышения контактной прочности зубьев зубчатых колес являются цементация с последующей закалкой, нит-роцементация (насыщение поверхностного слоя углеродом в газовой среде), а также азотирование зубьев.

Цементация обеспечивает высокую поверхностную твердость 58.63 HRC зубьев. При закалке после цементации форма зуба искажается, и поэтому требуется последующая финишная обработка. Для цементации применя6 ют низкоуглеродистые стали (сталь 15, 20) и легированные стали 20Х, 12ХНЗА. Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предотвращают продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации 0,1.ОД5 мм от толщины зуба, но не более 1,5.2 мм. При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Однако после цементации возникает задача обработки и уточнения ухудшенных параметров зубчатого колеса. Предложен ряд методов, обеспечивающих решение задачи. Однако производительность этих методов невелика, износ инструмента при этом существенен.

Поэтому актуальна разработка эффективного метода обработки зубчатых колес с упрочненными зубьями. Наиболее эффективны комбинированные методы обработки, сочетающие механическое воздействие и электрофизико-химические процессы разрушения материала заготовки. Предварительный анализ показывает, что наиболее эффективно применение резания алмазными зернами с обеспечением разрушения и анодного съема материала за счет электрохимического процесса.

Целью данной работы является повышение эффективности обработки упрочненных зубчатых колес. Данная цель может быть достигнута путем разработки эффективного комбинированного метода формообразования зубьев колес, предварительно полученных каким-либо методом зубообработ-ки.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка технологической обкатной схемы обработки зубчатых колес с высокой поверхностной твердостью зубьев в условиях ограниченной подачи электролита в зону обработки.

2. Разработка модели анодного растворения материала заготовки при использовании катода-инструмента (прикатника) с алмазоносным слоем при учете толщины алмазоносного слоя и пленки раствора электролита, хаарктера распределения припуска по зубу и погрешности по шагу зубьев. 7.

3. Создание экспериментальной установки и разработка конструкции катода-инструмента (прикатника) с алмазоносным слоем.

4. Экспериментальные исследования точности, обработки, шероховатости поверхности зубьев колес, характера износа катода-инструмента.

5. Разработка технологических режимов обработки зубчатых колес с применением разработанного метода обработки.

Положения, выносимые на защиту:

— результаты моделирования процесса электрохимического формообразования с различным образом распределенным припуском;

— результаты теоретических исследований взаимодействия алмазного зерна с обрабатываемым материалом в условиях взаимного обкатывания;

— результаты экспериментальных исследований точности обработки по радиальному биению, длине общей нормали, отклонению шага, колебанию измерительного расстояния за один оборот и колебанию измерительного межосевого расстояния на одном зубе;

— результаты экспериментальных исследований износа алмазоносного слоя катода-инструмента.

Научная новизна работы заключается в обосновании условий механо-электрохимической обработки зубьев упрочненных зубчатых колес катодом-инструментом (прикатником) с алмазоносным слоем в условиях ограниченного (пленочного) обеспечения электролитом, заключающихся в локализации процесса анодного растворения в зоне контакта анода-колеса и катода-инструмента (прикатника).

Практическая ценность работы заключается в том, что разработана технологическая схема обработки цементированных зубчатых колес с существенным искажением профиля зубьев после цементации в условиях ограниченного ввода электролита в зону обработки (создания пленки электролита).

Практическая реализация работы заключается в создании экспериментальной установки и обосновании режимов обработки цементированных зубчатых колес.

Обработана опытная партия колес количеством 50 шт. Установлено существенное повышение точности обработки по пяти параметрам точности (в 1,22. 1,84 раза).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003 — 2009 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности России» (Тула-2007 г.).

Работа состоит из следующих основных частей: анализа состояния вопросатеоретических исследований механоэлектрохимической обработки зубчатых колесэкспериментальных исследований механоэлектрохимической обработки упрочненных зубчатых колесобоснования режимов механоэлектрохимической обработки упрочненных зубчатых колес.

Работа выполнена на кафедре физико-химических процессов и технологий.

Автор выражает огромную благодарность д-ру техн. наук, профессору ВаликовуЕ.Н. за постоянное и плодотворное сотрудничество, признательность и благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой ФХГТТ чл.-корр. АТН РФ, д-ру техн. наук, профессору В. В. Любимову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и полезные замечания при выполнении работы.

Общие выводы.

1. На основе анализа известных методов зубообработки колес с высокой поверхностной твердостью зубьев и существенным искажением профиля зуба выявлена перспективность применения комбинированной механоэлектрохимической обработки в условиях ограниченной подачи электролита в межэлектродный зазор.

2. Выполнено математическое моделирование процесса электрохимического уточнения профиля зуба в условиях ограниченного (пленочного) слоя электролита. Установлено, что уменьшение слоя электролита на поверхности зуба с 1,5 до ОД мм приводит к существенному относительному уточнению профиля зуба (до 2,3 раза).

3. Разработан способ механоэлектрохимической обработки зубчатых колес с упрочненной поверхностью зубьев, основанный на применении катода-инструмента (прикатника) с алмазоносным слоем для обеспечения межэлектродного зазора и осуществляемый при последовательном реверсе вращения заготовки (анода) и катода-инструмента. Способ защищен патентом № 2 212 318.

4. Изучено влияние характера распределения припуска по поверхности зуба на процесс уточнения. Наилучшее уточнение профиля зуба достигается при равномерном распределении припуска на обработку (в 1,45 раза). Худшие результаты по относительному уточнению достигаются при максимальном значении припуска у вершины зуба заготовки практически независимо от условий подачи электролита в межэлектродный зазор (в 1,2 раза).

5. Исследовано влияние вида зацепления (без смещения, предполюсное, заполюсное) на величину скорости скольжения как фактора, определяющего процесс резания алмазным зерном. Установлено, что вид. зацепления несущественно влияет на процесс уточнения профиля зуба. При изменении частоты вращения колеса и катода-инструмента с 250 до 1000 об/мин скорость скольжения изменяется с 0,2 до 5,76 м/мин. Более.

122 существенное влияние на процесс обработки оказывает изменение направления скольжения как фактор удаления стружки из зоны обработки. При предполюсном зацеплении вектор скорости скольжения направлен в сторону ножки зуба, что затрудняет процесс удаления стружки.

6. Для определения периода стойкости катода-инструмента с алмазоносным слоем выполнены экспериментальные исследования износа алмазоносного слоя в процессе обработки. Установлено, что преобладает износ в виде выпадения алмазных зерен из связки без образования площадок износа на алмазных зернах. Это объясняется малыми скоростями резания (V до 7 м/мин) и малой дугой контакта эвольвентной поверхности зуба с катодом-инструментом. Величина износа алмазоносного слоя для алмазов 125/100 составляет 0,1 мкм/деталь. Следовательно, период «стойкости» катода-инструмента составляет 500−1000 деталей.

7. Экспериментально исследован процесс уточнения зубчатого колеса после механоэлектрохимической обработки. Установлено, что по радиальному биению имеет место уточнение в 1,41 раза, по длине общей нормали — в 1,22 раза, по отклонению шага — в 1,23 раза, по колебанию измерительного расстояния за один оборот — в 1,34 раза, по отклонению измерительного межосевого расстояния на одном зубе — в 1,84 раза.

8. Для предприятия ООО «Центрнасоссервис» (г. Ясногорск) выполнена экспериментальная обработка цементированных колес из стали 40Х в количестве 50 шт. для редуктора смещения.